Beberapa tahun yang lalu, teknologi manipulasi dan observasi bahan pada skala atom mencatat kemajuan penting. Tonggak baru era peranti elektronik telah ditancapkan. Bulan April tahun 1990, dengan memanfaatkan Kepada Scanning-tunneling microscope, para peneliti di pusat riset IBM di San Jose, Califonia, berhasil mengukir logo perusahaan mereka pada atom xenon. Meskipun pengangkatan atom satu demi satu sampai saat ini masih merupakan pekerjaan laboratoris, namun prospek bisnis yang ditawarkan tampaknya menggiurkan. Pengontrolan secara tepat struktur dan komposisi lapisan bahan setebal satu atau dua atom diyakini oleh para ahli sebagai satu cara untuk merencanakan karak-teristik elektronik suatu bahan.
MENGURANGI DIMENSI BAHAN
Pengurangan dimensi bahan memaksa elektron menempati tingkat energi tertentu. Penciptaan bahan yang elektronnya memiWci tingkat energi dapat diatur ini merupakan inti penelitian di bidang peranti kuantum. Dengan mengatur ukuran fisik suatu struktur, penelitian dapat mengatur tingkat energi elektron. Dengan cara ini mereka menentukan sifat elektronik bahan yang mereka inginkan. Semakin kecil dimensinya, semakin tepat pengaturannya.
Kemajuan-kemajuan ini memungkinkan dibuatnya peranti elektronik baru yang prinsip kerjanya sama sekali berbeda dengan peranti elektronik konvensional. Di samping saklar elektronik ‘on-off’ pada komputer saat ini, para ahli berharap dapat membuat peranti multisaklar. Bila ini terjadi maka berarti terbuka peluang bagi munculnya komputer berkemampuan besar, berke,cepatan sangat tinggi dalam bentuk sangat kecil. Para ahli mengisyaratkan munculnya ‘superkomputer dalam satu cip’ yang sesungguhnya. Sasaran lain adalah dapat dibuatnya laser yang sangat efisien dan dan dapat membawa data dalam jaringan serat optik jauh lebih banyak dari pada saat ini. Penyatuan peranti elektronik dan laser ini akan mengan tarkan pada mimpi masa lalu: yakni terwujudnya rangkaian Optoelektronik yang memadukan elektron dan foton sebagai pembawa sinyal listrik.
ADVERTISEMENT
SCROLL TO RESUME CONTENT
Riset peranti kuantum dilakukan oleh Bellcore, Universitas Kalifornia, kelompok-kelompok ilmuwan di Jerman, Inggris, Perancis dan Jepang. Sampai saat ini para ilmuwan masih dihadapkan pada masalah yang sama, yakni bagaimana membuat sumur kuantum (quantum well), kawat kuantum (quantum well), dan bintik kuantum (quantum well), menjadi peranti-peranti yang berguna.
SUMUR KUANTUM
Elektron.tidak terkurung oleh peng-halang fisik, tetapi oleh penghalang energi. Seperti halnya air yang senantiasa mengalir ke tempat yang lebih rendah, elektron cenderung bergerak ke daerah yang tingkat energinya rendah. Dengan demikian, pengurungan elektron dapat dilakukan dengan menghimpit bahan berisi elektron berenergi rendah di antara dua lapisan bahan berisi elektron berenergi tinggi.
Berdasarkan konsep itu para ahli IBM dan AT&T mencoba untuk mengurung elektron dalam bidang ber-dimensi rendah. Pengurungan dilakukan dengan menumpuk lapisan-lapisan galium arsenida berselang-seling dengan lapisan alumunium galium arseneda. Lapisan almunium galium arsenida memiliki celah-pita (band gap) yang lebih tinggi daripada galium arsenida. Dengan cara menyelipkan lembaran tipis bahan semikonduktor bercelah pita rendah di antara dua lembar bahan antara dua lembar bahan yang bercelah-pita tinggi terbentuklah sumur kuantum (quantum well). Problem yang dihadapi saat itu adalah bagaimana cara mendapatkan selapis bahan setebal hanya beberapa atom. Masalah kedua adalah cara mengendalikan kontaminasi hahan dan mengatur susunan kristalnya.
Pada tahun 1974 para peneliti IBM mendemonstrasikan bahan yang memiliki tingkatan energi yang berundak-undak sebagai indikasi terjadinya pegurungan kuantum. Penel iti di Bell Laboratories di Murray Hill, New York, telah membuat sumur kuantum tunggal yang apabila disinari laser akan menyerap frekuensi-frekuensi cahaya tertentu persis seperti yang telah diperkirakan. Gejala ini juga merupakan indikasi terjadinya pegurungan kuantum. Segera setelah itu, Esaki dan Chang berhasil membuat peranti yang disebut diode terawongan resonans (resonant tunneling diode) dengan memanfaatkan sumur kuan-tum.
TRANSISTOR SUMUR KUANTUM
Seperti halnya Clausen di Bellcore, John N. Randall, seorang peneliti di Texas Instrument berupaya membuat trasistor dengan ‘memahat’ lapisan-lapisan sumur kuantum. Sampai saat ini pembuat rangkaian terpadu menambah tingkat kepadatan rangkaian dengan membuat transistor-transistor yang semakin kecil sebagai elemen dasamya. Kecenderungan ini diperkirakan akan berakhir bilamana ukuran elemen mendekati ukuran panjang gelombang elektron; pada saat itu elektron akan ‘bocor’ sehingga transistor tidak dapat ‘mati’ sama sekali. Ukuran kritis transistor menurut Robert T. Bate, atasan Randall, adalah 0,25 mikron atau 2500 angstrom.
Randall berusaha mengatasi masalah ini dengan mengekploitasi efek kuantum untuk membuat transistor berukuran kurang dari 2500 angstrom. Mereka berhasil membuat BiQuaRTT (bipolar quantum resonent tunneling transistor), pengembangan dari diode terowongan-resonans.
Pada dasamya semua jenis diode maupun -transistor terowongan-resonans bekerja berdasarkan prinsip yang sama.
Peranti-peranti itu dibentuk dnegan menyelipkan lapisan sumur kuantum di antara tumpukan dua lapis bahan yang memiliki energi celah pita lebih tinggi. Apabila tidak diberikan tegangan yang tepat maka elektron tidak akan mengalir melewati lapisan-lapisan tersebut akibat dihalangi oleh celah pita sehingga peranti tersebut tidak mengalirkan arus listrik. Meskipun demikian, sesuai dengan prinsip mekanika kuantum, ada kemungkinan elektron-elektron menerowong melewati penghalang. Pada tegangan tertentu, energi elektron yang datang akan sesuai dengan tingkat energi sumur kuantum sehingga elektron dapat melewati penghalang dan mengalirkan arus listrik. Penerowongan terjadi pada dua kondisi tegangan yang bcrbeda sehmgga peranti ini memiliki sifat khas yakni mampu ‘off-on, on-off’ (menghantar-menyumbat) pada dua tegangan yang berbeda.
Keberhasilan membuat transistor kuantum, dan kemudian rangkaian ter-padu dengan komponen dasar transistor kuantum, diharapkan akan memperpanjang era miniaturisasi komponen elektronik. Tujuan akhir dan batas puncak pengembangan adalah apabila ukuran peranti sama besar dengan atom dan arus listrik dihantarkan oleh elektron satu demi satu. Tentu saja karakteristik dan cara kerja peranti elektronik super-mini itu akan sangat berbeda dengan peranti elektronik yang sekarang dikenal. Agaknya jalan ke sana sudah terbuka, dan untuk men-capai tujuan itu tinggal menunggu saatnya saja.
Oleh Hari Wibawanto, Staf Pengajar Pendidikan Teknik Elektro, FPTK-IKIP, SEMARANG
Sumber: Majalah AKUTAHU/JANUARI 1993
